Proiect Disertatie Pompe de Caldura

Analiza comparativa a pompelor de caldura necesare incalzirii unei locuinte unifamiliale

CUPRINS

1. Pompe de căldură .......................................................................................3 1.1 Rolul pompelor de căldură .......................................................................3 1.2 Evoluţia utilizării pompelor de căldură ......................................................6 1.3 Surse de căldură.......................................................................................6 1.4 Principiul de funcţionare a unei pompe de căldură .................................11 1.5 Regimuri energetice de funcţionare.........................................................13 1.6 Eficienţa termică a pompelor de căldură. COP .......................................14 1.7 Clasificarea pompelor de căldură ............................................................15

2. Tipuri de pompe de caldura……………………………………………………18 2.1 Pompa de căldură aer-apă.......................................................................18 2.2 Pompa de căldură apă-apă .....................................................................19 2.3 Pompa de căldură sol-apă cu colectori orizontali.....................................21 2.4 Pompa de căldură sol-apă cu sonde........................................................24

3. Avantajele pompelor de caldura ……………………………………………..28

4. Prezentarea imobilului şi descrierea amplasamentului ………………….30

5. Determinarea necesarului de căldură pentru incalzire al imobilului .....34

6. Analiza tehnico-economica…………………………………………………....42

7. Bibliografie……………………………………………………………………….50

2

1. POMPE DE CALDURA

1.1. Rolul pompelor de căldură

Dintre diferitele forme de energie, utilizate in actuala etapa de dezvoltare a

tehnicii ,energia termica are ponderea cea mai mare in balanta energetica a unei tari

.Datorita acestui fapt, se depun eforturi sustinute pentru gasirea cailor optime de folosire a

energiei termice ,cu scopul scopul economisirii resurselor energetice primare de

combustibili.

Crizele petroliere din anii 1973 si 1979, impreuna cu discutiile asupra energiei pe

care le-au generat, au determinat o puternica constientizare a problemelor legate

producerea si utilizarea energiei.

Cateva dintre acestea sunt :

-cresterea permanenta la nivel mondial a consumului de combustibili ;

-puternica dependenta a unor state (in special a celor puternic dezvoltate) de

importul de energie ;

-poluarea mediului ambiant datorita emisiilor de substante nocive precum si prin

caldura degajata.

Se apreciaza ca de la inceputul erei noastre pana in 1990, s-a consumat o

cantitate de energie echivalenta cu 420 miliarde tone de combustibil conventional.

Aceeasi cantitate se apreciaza ca va fi consumata in perioada 1990-2018 si mai tarziu in

intervale din ce in ce mai scurte. Aceasta crestere a consumului mondial de energie –

chiar si in conditiile scaderii consumului pe cap de locuitor – se datoreaza in primul rand

puternicii cresteri demografice din tarile in curs de dezvoltare. In conformitate cu ultimele

rezultate ale cercetarilor din domeniul resurselor de energie, se apreciaza ca rezervele

disponibile si exploatabile de combustibili fosili sunt echivalente cu 1263 miliarde tone de

combustibil conventional.

Aceasta cantitate este de circa trei ori mai mare decat cea care va fi consumata

in perioada 1990-2018. Din analiza consumului total de energie primara din cadrul Uniunii

3

Europene, se poate vedea ca aproximativ 82% se face in domeniul rezidential si cel

industrial. Din aceasta 47% este utilizata pentru incalzirea locuintelor si pentru producerea

caldurii necesare diverselor procese industriale.Se estimeaza ca aproximativ 30% din

energia aferenta proceselor industriale este eliberata la debite si temperature care ar

permite o reutilizare a acesteia. Aceasta reprezinta 12% din consumul total de energie

primara.

In anumite cazuri ,de exemplu in scopuri de confort sau in anumite procese

tehnologice, energia termica trebuie sa aiba un potential termic redus, corespunzator unor

temperaturi care nu depasesc 100…150 ºC. Prin arderea combustibililor clasici ,chiar si ai

celor inferiori enrgia termica se obtine la un nivel termic ridicat ce corespunde unor

temperaturi cuprinse intre1500…2000 ºC.

La acest nivel ,exergia caldurii – partea maxima care poate fi transformata in lucru

mecanic - are valori insemnate ,iar utilizarea in scopuri cum ar fi incalzirea apei intr-un

cazan de apa fierbinte duce la pierderi energetice insemnate si reducerea eficientei

instalatiei .In aceste conditii, solutia rationala consta in valorificarea imenselor cantitati de

caldura care pot fi preluate din mediul ambiant. O astfel de solutie o reprezinta utilizarea

pompelor de caldura pentru incalzire si prepararea apei calde menajere. Pompele de

caldura ofera posibilitati tehnice efective pentru economisirea de energie si reducerea

emisiilor de CO2.

Pompele de caldura ofera premisele tehnologice necesare pentru a folosi eficient

energia solara inmagazinata in apa, sol si aer sub forma de caldura ecologica. Ele obtin

aproximativ trei sferturi din energia necesara pentru incalzire din mediul inconjurator, iar

pentru restul utilizeaza ca energie de actionare curentul electric dupa cum reiese din

figura 1.1.

Figura 1.1. Schema energetica a pompei de caldura

4

Utilizarea pe scara larga a surselor regenerative de energie este impiedicata

datorita neeconomicitatii acestora sau a suprafetelor mari necesare. Variatiile zilnice sau

sezoniere la nivelul sursei de energie reprezinta o piedica suplimentara.

Pompele de caldura – ca sisteme de conversie a energiei – sunt masini termice

care pot ridica calitatea caldurii de la un nivel scazut de temperatura pana la un nivel

ridicat de temperatura. Ele pot furniza in mod obisnuit caldura pana la temperaturi de 120 0C.

Pentru incalzirea cladirilor, caldura este necesara la o temperatura mai mica de 90 0C, ceea ce inseamna ca pompele de caldura pot furniza pentru intreaga piata din

domeniul incalzirii cladirilor, asta reprezentand 26% din consumul total de energie

primara. Datorita temperaturilor mai mari de 400 0C necesare in industrie, pompele de

caldura pot furniza numai 2% din intregul necesar de caldura.

Functionarea oricarei instalatii de incalzire produce emisii poluante. De exemplu

cazanul pe combustibil lichid al unei instalatii de incalzire si prepararea apei calde

menajere pentru casa unei singure familii produce in medie pe an: 6kg funingine, 41kg

acid sulfuric, 18kg monoxide de carbon, 38 kg ozid de azot si 1200 kg dioxid de carbon.

Toate aceste substante prezinta ele insele un pericol pentru mediul ambiant, contribuind

totodata la cresterea efectului de sera.

In cazul utilizarii energiei electrice si a termoficarii in scopul incalzirii, emisiile de

substante nocive se deplaseaza catre centralele termo-electrice sau catre centrele de

teroficare, astfel incat la locul de producere a caldurii nu sunt eliberate noxe poluante,

contribuind la scaderea poluarii aerului in zonele dens populate mai ales in perioada de

iarna.

Desi majoritatea pompelor de caldura sunt actionate de energie electrica, marindu-

se in acest fel consumul de electricitate, tot se va reduce consumul total de combustibili

fosili atunci cand sunt inlocuite sistemele conventionale de incalzire. Modul in care

pompele de caldura vor reduce emisiile poluante depinde de tehnologia pe care o

inlocuiesc aceste pompe si de sursa de energie de actionare.

In cazul in care energia de actionare este energie electrica, reducerea depinde de

modul de producere a acesteia. Daca energia electrica nu este produsa pe baza de

combustibili fosili, se asteapta o reducere foarte puternica chiar si atunci cand energia

electrica este produsa din combustibili fosili , pompele de caldura pot reduce emisiile de

dioxid de carbon cu 30 pana la 50% in comparatie cu cazanele clasice. Reducerea se

datoreaza faptului ca este nevoie de o energie mult mai mica de actionare.

Activitatea de cercetare trebuie orientata in urmatoarele directii:

5

• gasirea de noi agenti de lucru care sa posede un potential minim de

distrugere a ozonului si o contributie cat mai mica la efectul de sera si sa nu

prezinte toxicitate sau imflamabilitate;

• ridicarea eficientei pompelor de caldura prin utilizarea de noi cicluri de lucru,

de agenti termici de lucru si de componente constructive optimizate;

• realizarea de pompe de caldura pentru temperaturi ridicate;

• determinarea echilibrului optim dintre calitatea echipamentelor ( in scopul

limitarii scaparilor, a cresterii duratei de viata si a sigurantei) pe de o parte,

si timpul de recuperare a investitiilor pe de alta parte.

1.2. Evolutia utilizarii pompelor de caldura

Avand in vedere ca pompele de caldura isi extrag o mare parte de energie din

mediul inconjurator ( apa , pamant, aer) sunt considerate a fi o sursa de energie

regenerabila in Elvetia, Olanda, Danemarca, Finlanda si Norvegia.

In Uniunea Europeana, pompa de caldura ar putea contribui la onorarea unor

angajamente privind furnizarea unui procent de 12% din consumul intern de energie din

sursele regenerabile.

In USA, pompa de caldura este din ce in ce mai folosita, iar dezvoltarea acesteia

este sustinuta de Agentia de Protectie a Mediului Inconjurator din USA.Acelasi lucru se

intampla si in Canada unde Ministerul Resurselor Naturale isi ofera tot sprijinul in aceste

sens.

In Elvetia, pompa de caldura acopera deja 40% din noua piata de desfacere avand

ca obiectiv atingerea unui procent de 50% pana in 2010. Datorita sprijinului venit din

partea Biroului Federal de Energie, pompa de caldura reprezinta subiectul unor campanii

stimulative in continua crestere in lupta impotriva efectului de sera si a folosirii energiei

regenerative.

In Germania, piata pompelor de caldura a crescut cu 23% intre 1997si 1998.

Suedia, deja echipata cu pompe de caldura, are ca obiectiv dublarea numarului de

pompe de caldura instalate, ajungand la un numar de 620.000 pana in 2010.

6

1.3. Surse de caldura

Dupa cum se stie , pompele de caldura produc aproximativ trei sferturi din energia

necesara pentru incalzire din energia solara acumulata in mediul ambiant , iar pentru

restul folosesc energia electrica. Energia solara este ecologica si regenerativa.

In figura 1.2. se prezinta distributia radiatiei solare la nivelul atmosferei si a solului

astfel:

• 19% este absorbita de vapori, ozon si praf;

• 8% este disipata in atmosfera;

• 4% este absorbita de catre nori;

• 17% este reflectata de catre nori;

• 6% este reflectata de catre pamant;

• 46% este absorbita de catre pamant.

Figura 1.2. Distributia radiatiei solare

Temperatura surselor naturale ca aerul, solul, apele freatice si de suprafata,

variaza in concordanta cu variatia anuala a temperaturii cu o atenuare si o defazare in

timp mai mare sau mai mica. Aceasta inseamna ca tocmai atunci cand necesarul de

caldura este maxim avem cel mai mic disponibil de caldura de la sursele naturale.

7

Prin urmare sursele naturale care depind in mica masura de temperatura

exterioara sunt cele mai indicate in procesul de alimentare cu caldura al locuintelor.

In figura 1.3. este prezentata variatia medie a temperaturii pentru sol, aer si apa

freatica pe parcursul intregului an.

Figura 1.3. Variatia temperaturii surselor naturale pe parcursul intregului an

Se observa ca apa freatica (reprezentata cu verde) are temperatura cea mai

constanta pe parcursul intregului an.Solul (reprezentat cu galben inchis) are temperatura

cea mai constanta pe parcursul intregului an. Solul (reprezentat cu galben inchis) prezinta

o variatie mai mare de temperatura fata de apa freatica. Aerul (reprezentat cu galben

deschis) prezinta cele mai mari variatii de temperatura pe parcursul intregului an de aceea

nu este recomandat pentru incalzirea cladirilor.

Pentru utilizarea practica a surselor de energie, pe langa o temperatura cat mai

constanta pe parcursul intregului an mai trebuie respectate urmatoarele criterii:

• disponibilitate suficienta;

• capacitate cat mai mare de acumulare;

• nivel cat mai ridicat de temperatura;

• regenerare suficienta;

• captare economica;

• timp redus de asteptare;

• sa nu fie coroziva;

8

Pe langa sursele naturale de energie care reprezinta de fapt acumulatori de

energie solara se mai poate utiliza si caldura evacuata din diferite procese tehnologice.

Aerul ambient si cel evacuat din sistemele de climatizare, solul si apa freatica sunt

surse de caldura pentru pompele de caldura de puteri mici, in timp ce apa de mare, lac

sau rau, rocile, apa geotermala si apa tehnologica sunt utilizate pentru pompe de caldura

de puteri mari.

Aerul ambient este gratis si disponibil peste tot, reprezentand cea mai obisnuita

sursa de caldura pentru pompele de caldura. Acele pompe de caldura care utilizeaza

aerul drept sursa de caldura ating insa coeficienti de performanta sezonieri cu 10-30%

mai redusi decat in cazul utilizarii apei ca sursa de caldura. Aceasta se datoreaza in

special scaderii rapide a randamentului si puterii odata cu scaderea temperaturii

exterioare, a diferentei relativ mari de temperatura din vaporizator si a energiei

suplimentare necesare pentru degivrare si pentru functionarea ventilatoarelor.

In conditii climatice blande si umede, pe suprafata vaporizatorului se acumuleaza

gheata, ceea ce duce la scaderea puterii si a randamentului pompei de caldura.

Degivrarea bateriilor se realizeaza prin inversarea ciclului functional al pompei de caldura

sau prin intrarea in functiune a unei rezistente electrice. In acest mod creste consumul de

energie, iar COP-ul total al pompei de caldura va scadea odata cu cresterea frecventei

degivrarilor.

Eficienta totala poate fi marita prin controlul frecventei cu care se face degivrarea

mai degraba decat prin controlul timpului de functionare.Utilizarea aerului drept sursa de

caldura se recomanda in special in cazul cladirilor existente, unde pompele de caldura

aer-apa sau aer-aer isi pot aduce contributia la incalzire prin functionarea in sistem

bivalent, completand deci incalzirea clasica bazata pe arderea unui combustibil.

Puterea termica a agregatelor de pompa de caldura functionand cu aer ca sursa de

caldura este stabilita de catre constructorul acestora inca din fabrica.Pompele de caldura

aer-apa pot functiona pe perioada intregului an, intocmai ca si pompele de caldura ce

extrag caldura din sol sau din apa freatica.

Trebuie insa observat ca puterea termica de incalzire a unei astfel de pompe de

caldura variaza foarte mult in functie de temperatura aerului utilizat ca sursa de caldura.

Astfel, la inceputul si sfarsitul perioadei de incalzire (toamna si primavara), puterea

termica de incalzire este mult mai mare decat in cea mai rece zi a anului si simtitor mai

mare decat necesarul de caldura al cladirii (daca pompa de caldura a fost gandita sa

functioneze in regim monovalent).

Din acest motiv, un astfel de tip de pompa de caldura trebuie dotata cu un sistem

de reglare a puterii termice livrate consumatorului de caldura.

9

Aerul evacuat din sistemele de climatizare reprezinta o sursa de caldura obisnuita

pentru pompele de caldura din cladirile comerciale si rezidentiale. Prin recuperarea

caldurii din aerul evacuat, pompele de caldura realizeaza incalzirea apei si/sau a spatiilor.

In timpul perioadei de incalzire sau chiar in decursul intregului an este necesara

functionarea continua a sistemului de climatizare-ventilare. Unele tipuri de pompe de

caldura sunt astfel proiectate incat sa utilizeze atat aer ambiant cat si aer evacuat.

In cazul cladirilor mari, pompele de caldura avand ca sursa de caldura aerul

evacuat sunt de multe ori cuplate cu sisteme de recuperare a caldurii de tip aer-aer.

Apa freatica prezinta o temperatura constanta (4-100C) in multe zone. Pentru

utilizarea ei sunt folosite sisteme inchise sau deschise.

In sistemele deschise, apa subterana este pompata, racita si apoi reinjectata intr-

un put separat sau returnata catre apa de suprafata. Sistemele de suprafata trebuiesc

proiectate cu mare atentie, pentru evitarea problemelor legate de inghet, coroziune si

colmatare. Sistemele inchise pot fi si sisteme cu detenta directa (in care agentul termic de

lucru vaporizeaza in interiorul tevilor montate subteran), sau sisteme cu agent intermediar.

Sistemele cu agent intermediar prezinta in general performante tehnice mai

scazute, dar sunt mai usor de intretinut. Dezavantajul major al acestor pompe de caldura

este costul ridicat al lucrarilor pentru exploatarea sursei de caldura. Exista totodata

posibilitatea unor constrangeri suplimentare generate de legislatia privitoare la protectia

stratului de apa freatica si la preintampinarea poluarii solului.

Solul prezinta aceleasi avantaje ca si apa freatica, si anume are temperaturi medii

anuale ridicate. Caldura este extrasa cu ajutorul unor conducte ingropate orizontal sau

vertical in sol, iar sistemele pot fi de asemenea cu detenta directa sau sisteme cu agent

intermediar.

Capacitatea termica a solului depinde de umiditatea acestuia si de conditiile

climatice. Datorita extragerii de caldura din sol, temperatura acestuia va scadea in

decursul perioadei de incalzire. In regiunile foarte reci, cea mai mare parte a caldurii este

extrasa sub forma de caldura latenta, atunci cand solul ingheata. Cu toate acestea in

timpul perioadei de vara, radiatia solara incalzeste solul, iar refacerea potentialului termic

este posibila in totalitate.

Solul prezinta capacitatea de a inmagazina sezonier caldura provenita de la soare,

lucru care conduce la obtinerea unei temperaturi relativ constante a acestei surse de

caldura si la atingerea unor coeficienti sezonieri de performanta de valori ridicate.

Contributia energiei geotermice – adica a acelui flux de caldura indreptat de la

interiorul catre exteriorul pamantului – este atat de redusa incat poate fi neglijata. Rezulta

deci ca energia extrasa din sol de catre acest tip de pompe de caldura provine aproape

10

exclusiv de la soare.Pompele de caldura pentru cladirile de locuit si care utilizeaza solul

drept sursa de caldura sunt astazi executate sub forma de instalatii compacte, ce pot fi

montate cu usurinta in cladire.

Caldura preluata de la sursa de caldura este transportata cu ajutorul unui amestec

antigel, al carui punct de inghet se situeaza la circa -150C. Prin aceasta se asigura faptul

ca sonda nu va ingheta in timpul functionarii.

Extragerea caldurii din sol se poate face cu ajutorul unui sistem de tevi din

material sintetic, cu o mare suprafata de trasfer.

Caldura geotermala poate fi utilizata ca sursa de caldura acolo unde apa freatica

este foarte putina sau lipseste total. Adancimea forajelor atinge 100...200m.

Atunci cand este necesara o capacitate termica ridicata, forajele se fac inclinat

pentru a cuprinde un volum mai mare de stanca. Acest tip de pompa de caldura este

intotdeauna conectat la un sistem de agent intermediar realizat din conducte din plastic.

Unele dintre pompele de caldura de acest tip destinate cladirilor comerciale utilizeaza

masivul pentru acumularea caldurii sau a frigului. Costurile ridicate ale operatiunilor de

foraj impiedica insa utilizarea caldurii geotermale ca sursa pentru pompele de caldura

domestice.

Apa de rau si de lac este in principiu o sursa foarte buna de caldura, dar are ca

principal dezavantaj o temperatura scazuta in timpul iernii (apropiata de 00C).

Din acest motiv trebuiesc luate masuri de siguranta pentru a evita inghetatrea

vaporizatorului.

Apa de mare este o sursa excelenta de caldura si este utilizata in special pentru

pompe de caldura de puteri medii si mari. La adancimea de 25-50m, apa de mare are

temperatura constanta de 5-80C, iar formarea ghetii nu mai constituie o problema

(Punctul de inghet este la -20C).

Se pot folosi atat sistemele cu detenta directa cat si sistemele cu agent

intermediar. Pentru preintampinarea coroziunii si a colmatarii cu substante organice

trebuiesc luate masuri constructive speciale in realizarea schimbatoarelor de caldura a

pompelor si a conductelor.

Apa tehnologica se caracterizeaza prin temperaturi constante si relativ ridicate in

tot timpul anului. Principalele probleme sunt legate de distanta pana la utilizator si de

variatia fluxului de caldura transportat. Ca posibile exemple privind sursele de caldura din

acesta categorie sunt: efluentii provenind din canalizare (apa de canalizare tratata si

netratata), efluentii industriali, precum si apa de racire (pentru condensare) de la procese

industriale sau din producerea de energie electrica.

11

1.4. Principiul de functionare al pompelor de caldura

Modul de funcţionare al pompei de căldură corespunde modului de funcţionare al

unui frigider după cum se vede şi din figura urmatoare:

Figura 1.4. Funcţionarea pompei de căldură

În cazul frigiderlui, agentul de răcire scoate căldura cu ajutorul vaporizatorului, iar

prin intermediul condensatorului aparatului, aceasta se transferă in încăpere. În cazul

pompei de căldură, căldura se extrage din mediul înconjurător (sol, apă, aer) şi se

conduce la sistemul de încălzire. Circuitul agregatului de răcire se realizează conform

legilor fizicii.

Agentul de lucru, un lichid care atinge punctul de fierbere la o temperatură

redusă, se conduce într-un circuit inchis şi consecutiv se evaporă, se comprimă, se

condensează şi se destinde. În vaporizator se află agent de lucru lichid la presiune

redusă.

Nivelul de temperatură al căldurii ecologice din vaporizator este mai ridicat decât

domeniul de temperaturi de fierbere corespunzător presiunii agentului de lucru. Această

diferenţă de temperatură conduce la o transmitere a căldurii ecologice asupra agentului

de lucru, iar agentul de lucru fierbe şi vaporizează. Căldura necesară se preia de la sursa

12

de căldură. Vaporii rezultaţi din agentul de lucru se aspiră continuu din vaporizator de

către compressor şi se comprimă. În timpul comprimării cresc presiunea şi temperatura

vaporilor.

Vaporii agentului de lucru ajung din compresor în condensator care este

înconjurat de agent termic. Temperatura agentului termic este mai redusă decât

temperatura de condensare a agentului de lucru, astfel încât vaporii se răcesc şi se

lichefiază din nou.

Energia preluată în vaporizator şi suplimentar, energia electrică transferată prin

comprimare, se eliberează în condensator prin condensare şi se transferă agentului

termic.În continuare se recirculă agentul de lucru prin intermediul unui ventil de

destindere în vaporizator. Agentul de lucru trece de la presiunea ridicată a

condensatorului la presiunea redusă a vaporizatorului. La intrarea în vaporizator se ating

din nou presiunea şi temperatura iniţială , si astfel circuitul se închide.

1.5. Regimuri energetice de functionare ale pompelor de caldura

Regimul de funcţionare a pompelor de căldură, trebuie adaptat la tipul sistemului

de încălzire al obiectivului pe care îl deservesc, dacă acesta este deja realizat, iar

pompele de căldură înlocuiesc echipamente existente funcţionând cu combustibili clasici.

În aceste situaţii, o restricţie importantă este reprezentată de faptul că temperatura

maximă pe care o pot realiza pe tur pompele de căldură este de 55°C, iar peste această

temperatură pompele de căldură pot funcţiona doar în cuplaj cu alte surse de încălzire.

În clădirile noi, sistemul de încălzire va fi special proiectat pentru aceste

echipamente şi va fi caracterizat prin nivelul redus al temperaturii agentului de încălzire. În

cazul încălzirii prin pardoseală şi/sau pereţii laterali, temperatura agentului de încălzire,

poate cobori până la valori de cca. 35°C pe tur, sau chiar sub această valoare.

Din punct de vedere al soluţiilor tehnice utilizate pentru încălzire şi preparare a apei

calde menajere, există mai multe regimuri posibile de funcţionare a pompelor de căldură:

- Regim de functionare monovalent – pompa de căldură este unica sursă de căldură;

- Regim de functionare bivalent – pompa de căldură este utilizată în combinaţie cu o

altă sursă de căldură care funcţionează cu combustibil solid, lichid sau gazos,

echipamente de captare a energiei solare, etc;

- Regim de functionare monoenergetic – pompa de căldură este utiliztă în combinaţie

cu un alt sistem de încălzire care funcţionează tot cu energie electrică. Cea mai întâlnită

situaţie de acest tip, este cea în care apa caldă menajeră este doar preîncălzită în pompa

13

de căldură, fiind utilizat şi un alt dispozitiv de încălzire a apei, fie un încălzitor electric

instant, fie o rezistenţă electrică montată în boilerul pentru prepararea apei calde

menajere.

În cazul utilizării pompelor de căldură în regim monovalent sau monoenergetic, un

interes deosebit este prezentat de utilizarea sistemului de tarifare diferenţiată a energiei

electrice pe timp de zi şi de noapte, sistem care în România este disponibil la cerere şi

care poate reduce semnificativ valoarea facturilor de energie electrică.Regimul de

functionare conteaza foarte mult la dimensionarea PDC:

- PDC supradimensionata pe langa faptul ca mareste costurile de investitii duce la o

functionare defectuoasa a pompei ajungandu-se la porniri si opriri mai dese si implicit la

uzura prematura a echipamentului.

- PDC subdimensionata duce la marirea timpului de functionare cu aceleasi efecte de

uzura a componentelor.

1.6. Eficienta termica a pompelor de caldura.Coeficientul de

performanta

Cu o pompă de căldură se poate mări, prin alimentarea cu energie mecanică

temperatura surselor de căldură neutilizabile ca de exemplu aerul, apa freatică sau

solul. Pentru a obţine un indice de putere momentan ridicat se tinde să se ajungă la

puterea minimă pe tur de 35ºC, la încălzirea prin pardoseală .

Cantitatea mai mare de căldură, cea cu care de exemplu se alimentează o

instalaţie de încălzire nu provine de la energia de acţionare a compresorului, ci este în

principal energie solară care se acumulează pe cale naturală în sol, aer sau apă.

Această cantitate poate fi în funcţie de tipul acumulatorului de căldură, mai ales de

nivelul de temperatură, de trei până la cinci ori mai mare decât energia cu care se

alimentează compresorul.

Coeficientul de performanta COP al unei pompe de caldura , reprezinta raportul

dintre puterea de incalzire a acesteia si puterea electrica absorbita de la retea. Acesta

depinde de ecartul de temperature dintre sursa rece si sursa calda.

Pompele de caldura functioneaza cu atat mai economic ,cu cat diferenta dintre

temperatura mediului ales ca sursa energie(sursa rece) si temperatura agentului termic

din circuitul de incalzire (sursa calda) este mai redusa . De aceea se vor folosi sisteme de

14

incalzire care functioneaza la temperaturi coborate : ventiloconvectoare , incalzire in

pardoseala , in pereti.

15

Cu cât diferenţa de temperatură dintre sursa de căldură şi instalaţia de utilizat

căldura este mai mică cu atât mai mare (mai bun) este indicele de putere. Eficienţa

termică medie anuală β a instalaţiei cu pompe de căldură se calculează ca raport dintre

căldura cedată pe timp de un an de către instalaţia de pompe de căldură şi puterea

electrică absorbită de către instalaţia de pompe de căldură pe timp de un an (relaţia 1.2)

β = QWp / W (1.1)

,unde :

QWp- este cantitatea de caldura descarcata de catre instalatie pe parcursul unui

an ,in KWh;

W- este energia electrica cu care se alimenteaza instalatia pet imp de un an in

KWh .

1.7. Clasificarea pompelor de caldura

Sunt cunoscute mai multe puncte de vedere în conformitate cu care sunt

clasificate instalaţiile de pompe de căldură, o clasificare completă şi riguroasă fiind

foarte dificilă din cauza numeroaselor tipuri constructive şi condiţiilor de funcţionare.

În funcţie de modul de realizare al ciclului de funcţionare, precum şi de forma

energiei de antrenare există următoarele tipuri de pompe de căldură:

-Pompe de căldură cu comprimare mecanică de vapori sau gaze, prevăzute cu

compresoare cu piston, turbocompresoare, compresoare elicoidale antrenate de

motoare electrice sau termice.În cazul acestei pompe de căldură este posibilă atingerea

unor temperaturi ridicate cu ajutorul sistemelor în mai multe trepte, dar acestea sunt

complexe şi necesită investiţii mari.

Problema cheie constă în găsirea unor fluide capabile să condenseze la

temperaturi peste 120ºC. Utilizarea amestecurilor non-azeotrope poate contribui la

soluţionarea problemei şi permite chiar atingerea unei eficienţe ridicate.

-Pompe de căldură cu comprimare cinetică, prevăzute cu compresoare cu jet

(ejectoare) şi care utilizează energia cinetică a unui jet de abur. Datorită randamentului

foarte scăzut al ejectoarelor şi al consumului ridicat de abur de antrenare acest tip de

pompe de căldură este din ce în ce mai puţin utilizat.

-Pompe de căldură cu comprimare termochimică sau cu absorbţie care consumă

energie termică, electrică sau solară. Ele prezintă avantajul de a utiliza căldura

recuperabilă cu un preţ scăzut şi nu prezintă părţi mobile în mişcare

-Pompe de căldură cu compresie-resorbţie se află încă în stare experimentală dar 16

sunt foarte promiţătoare deoarece combină avantajele sistemelor cu compresie cu cele

ale sistemelor cu absorbţie. Aceste pompe sunt capabile să atingă temperaturi

ridicate de până la 180 ºC şi valori ridicate ale eficienţei. Agenţii termici de lucru pot fi

soluţii binare inofensive.

-Pompe de căldură termoelectrice bazate pe efectul Peltier şi care consumă

energie electrică.

După puterea instalată pompele de căldură pot fi:

-instalaţii mici: folosite pentru prepararea apei calde sunt realizate în combinaţie cu

frigiderele având o putere de până la 1 KW.

-instalaţii mijlocii: destinate în principal pentru climatizare şi încălzire pe întreaga

durată a anului în locuinţe relativ mici şi birouri. Puterea necesară acţionării este

cuprinsă între 2 până la 20 KW iar puterea termică poate ajunge până la 100 KW.

-instalaţii mari: pentru condiţionare şi alimentare cu căldură.

Aceste instalaţii sunt cuplate de regulă cu instalaţii de ventilare, de multe ori având

şi sarcină frigorifică servind la răcirea unor spaţii de depozitare sau servind patinoare

artificiale. Puterea de acţionare este cuprinsă între câtiva zeci şi sute de KW iar

puterea termică depăşeşte în general 1000 KW.

-instalaţii foarte mari: folosite în industria chimică, farmaceutică pentru instalaţii de

vaporizare, concentrare, distilare. Puterea termică depăşeşte câteva mii de KW şi din

această cauză sunt acţionate numai de compresoare.

În funcţie de domeniul de utilizare al pompelor de căldură se pot clasifica în:

-Pompe de căldură utilizate pentru încălzirea şi condiţionarea aerului în clădiri.

Aceste pompe de căldură utilizează aerul atmosferic ca sursă de căldură, fiind

recomandabile în regiunile cu climat temperat.

-Pompe de căldură folosite ca instalaţii frigorigice şi pentru alimentarea cu căldură.

Aceste pompe de căldură sunt utilizate succesiv pentru răcire în timpul verii şi pentru

încălzire în timpul iernii.

-Pompe de căldură folosite ca termocompresoare. Acestea sunt utilizate în

domeniul instalaţiilor de distilare, rectificare, congelare, uscare, etc.

-Pompe de căldură utilizate în industria alimentară ca termocompresoare precum

şi în scopuri de condiţionare a aerului sau tratare a acestuia în cazul întreprinderilor de

produse zaharoase, respectiv cel al antrepozitelor frigorifice de carne.

-Pompe de căldură destinate industriei energetice. În acest caz , ele sunt folosite

pentru încălzirea camerelor de comandă, sursa de căldură fiind, spre exemplu, apa de

răcire a condensatoarelor sau căldura evacuată de la generatoarele şi transformatoarele

electrice.

-Pompe de căldură utilizate pentru recuperarea căldurii din resursele energetice

17

secundare.

Se recomandă valorificarea prin intermediul pompelor de căldură a caldurii

evacuate prin condensatoarele instalaţiilor frigorifice sau a energiei apelor geotermale.

-Pompe de căldură folosite în industria de prelucrare a laptelui – acestea sunt

utilizate simultan pentru răcirea laptelui şi prepararea apei calde.

După felul surselor de căldură utilizate pompele de căldură pot fi:

-aer-aer: au ca sursă de căldură aerul atmosferic şi folosesc aerul ca agent

purtător de căldură în clădirile în care sunt montate. La acest tip de instalaţii inversarea

ciclului este deosebit de uşoară astfel în sezonul rece instalaţia este utilizată pentru

încălzire iar în sezonul cald pentru condiţionare.

-apă-aer: folosesc ca sursă de căldură apa de suprafaţă sau, de adâncime apa

caldă evacuată din industrie, agentul purtător de căldură fiind aerul

-sol-aer: folosesc ca sursă de căldură solul iar agentul purtător de căldură este

aerul.

-soare-aer: folosesc ca sursă de căldură energia termică provenită de la soare prin

radiaţie iar agentul purtător de căldură este aerul.

-aer-apă: folosesc ca sursă de căldură aerul iar ca agent purtător de căldură apa.

-apă-apă: folosesc ca sursă de căldură apa ,iar ca agent purtător de căldură tot

apa.

- sol-apă: folosesc ca sursă de căldură solul iar ca agent purtător de căldură apa.

-soare-apă: folosesc ca sursă de căldură radiaţia solară iar ca agent purtător de

căldură apa.

2. TIPURI DE POMPE DE CALDURA

18

Pentru încălzirea locuinţelor şi prepararea apei calde menajere cele mai utilizate

variante sunt:

-Pompa de căldură aer-apă

-Pompa de căldură apă-apă

-Pompa de căldură sol-apă - cu colectori orizontali

- cu sonde

2.1 Pompa de căldură aer-apă

Pompele de căldură sistem aer-apă se pot utiliza în prezent la fel ca pompele

de căldură sol-apă sau apă-apă pe durata întregului an.În clădiri construite conform

standardelor în vigoare, pompa de căldură sistem aer-apă ,poate funcţiona monovalent

sau monoenergetic în combinaţie cu o rezistenţă electrică.

Sursa de căldură - aerul - este foarte uşor de procurat şi este disponibil peste tot

în cantităţi nelimitate, prin aer se înţelege utilizarea aerului din exterior. Nu se acceptă

utilizarea ca sursă de căldură în clădiri de locuit a aerului din interior pentru încălzirea

locuinţelor. Aceasta se poate utiliza numai în cazuri speciale, ca de exemplu în cazul

utilizării de căldură recuperată în firmele de producţie şi în industrie.

În cazul surselor de căldură pentru aer, dimensionarea sursei de căldură se

stabileşte în funcţie de tipul constructiv şi de dimensiunea aparatului. Cantitatea necesară

de aer este dirijată de către un ventilator încorporat în aparat, prin canale de aer către

vaporizator, care extrage căldura din aer. Schema unei asemenea instalaţii este

prezentată în figura 2.1

19

Figura 2.1 Pompa de caldura aer -apa

Caracteristic acestei pompe de căldură este faptul că poate funcţiona foarte uşor

atât în încălzire în sezonul rece, dar şi în condiţionare în sezonul cald. Datorită

temperaturilor scăzute ale aerului în sezonul rece eficienţa pompei scade considerabil

faţă de eficienţa pompelor care folosesc ca sursă de căldură solul sau apa.

2.2. Pompa de căldură apa- apă

Datorită nivelului de temperatură constant al sursei de căldură, indicele de

putere al pompei de căldură se menţine de-a lungul anului ridicat. Din păcate apa

freatică nu se găseşte în cantitate suficientă în toate zonele şi nu are o calitate

corespunzătoare, dar acolo unde condiţiile permit, merită să se utilizeze acest sistem.

În cazul apei freatice fără conţinut de oxigen, dar cu conţinut ridicat de fier şi

mangan se îngălbenesc puţurile.În acest caz apa nu trebuie să vină în contact cu aerul

sau trebuie tratată corespunzător.

20

Pentru a reduce coroziunea vaporizatoarelor acestea trebuie realizate din oţel

inoxidabil. Lacurile şi râurile sunt indicate pentru obţinerea de căldură, pentru că ele

funcţionează de asemenea ca acumulatoare de căldură.Utilizarea apei freatice trebuie

aprobată de către organele competente (Regia Apelor).

Este recomandabil ca apa freatică să nu fie pompată de la adâncimi mai mari de

15 m, costurile pentru instalaţia de foraj ar fi mult prea ridicate. Pentru instalaţii industriale

sau instalaţii mari se poate fora şi la adâncimi mai mari. Pentru utilizarea căldurii trebuie

realizat un puţ aspirant şi un puţ absorbant după cum se vede şi în figura 2.2.

Figura 2.2. Pompa de căldură apă-apă

21

Extracţia şi recircularea trebuie să se realizeze în direcţia de curgere a apei

freatice pentru a evita un aşanimit scurtcircuit. Între extracţie (puţ cu pompă) şi

recirculare (puţ absorbant) trebuie să se menţină o distanţă de circa 5m.

2.3. Pompa de căldură sol-apă cu colectori orizontali

Solul are proprietetea că poate acumula şi menţine energia solară pe o perioadă

mai lungă de timp, ceea ce conduce la un nivel de temperatură al sursei de căldură

aproximativ constant de-a lungul întregului an şi astfel la o funcţionare a pompelor de

căldură cu indice de putere momentan ridicat.

Preluarea de căldură din sol se realizează prin intermediul tuburilor din material

plastic cu suprafaţă mare montate în sol ca şi în figura 2.3.

Figura 2.3. Pompa de căldură sol-apă cu colectori orizontali

Tuburile din material plastic (PE) se amplasează paralel, în sol, la o

adâncime de 1,2...1,5m şi în funcţie de diametrul ales al tubului, la o distanţă de

0,5...0,7m astfel încât pe fiecare metru pătrat de suprafaţă de absorbţie să fie montat

1,43 până la 2 m de tub (figura 2.4)

Figura 2.4. Aşezarea colectorilor orizontali

Lungimea tuburilor nu trebuie să depăşească o lungime de 100m deoarece în caz

contrar cresc pierderile de presiune.Capetele tuburilor sunt introduse în colectoare pe tur

şi pe retur, care trebuie amplasate la un nivel mai ridicat decât tuburile, pentru a se putea

aerisi întregul sistem de tuburi. Fiecare tub se poate bloca separat.

Apa sărată se pompează prin tuburile din material plastic cu ajutorul unei pompe

de circulaţie, astfel aceasta preia căldura acumulată în sol. Prin intermediul pompei de

căldură se utilizează căldura pentru încălzirea încăperilor.

Îngheţărea temporară a solului în zona din jurul tuburilor de obicei în a doua

jumătate a perioadei de încălzire nu are efecte secundare asupre funcţionării instalaţiei şi

asupra creşterii plantelor. Dar totuşi nu trebuie plantate plante cu rădăcini foarte adânci în

jurul tuburilor pentru apă sărată.

Regenerarea solului încălzit se realizează începând cu a doua jumătate a

perioadei de încălzire prin radiaţie solară şî precipitaţii mai puternice, astfel încât se

poate asigura faptul că pentru perioada următoare de incălzire acumulatorul sol este

pregătit din nou pentru încălzire.

Lucrările de săpături necesare, se realizează în cazul construcţiilor noi fără costuri

suplimentare foarte mari dar în cazul construcţiilor deja existente, costurile sunt de

regulă atât de ridicate încât de cele mai multe ori se renunţă la această variantă.

Săpatul şanţurilor se poate face mecanizat cu excavatoare după cum se poate

vedea şi din figura 2.5.

Figura 2.5. Săparea şanţurilor

Căldura din sol determinantă pentru preluarea de căldură este energia solară

acumulată prin radiaţie directă , prin transfer de căldură din aer sau din precipitaţii se

transmite solului. Aceasta este şi sursa de căldură care este responsabilă de

regenerarea relativ rapidă a solului răcit după o perioadă de încălzire.

Cantitatea de căldură care se poate utiliza şi prin aceasta mărimea suprafeţei

necesare depinde foarte mult de proprietăţile termofizice ale solului şi de energia radiată

adică de condiţiile climatice.

Proprietăţile termice cum ar fi capacitatea volumetrică de căldură şi

conductibilitatea termică, depind foarte mult de compoziţia şi de proprietăţile solului.

Aceste valori mici ale puterii de extragere a căldurii din sol conduc la suprafeţe

foarte mari ale colectoarelor după cum se poate vedea şi din figura 2.6:

Figura 2.6. Suprafaţa mare a colectorului

2.4. Pompa de căldură sol-apă cu sonde

Datorită suprafeţei mari necesare pentru montarea colectorilor orizontali pentru

sol, este dificilă realizarea chiar şi în cazul locuinţelor noi din motive de spaţiu. În special

în oraşele aglomerate, cu suprafeţe foarte mici spaţiul este limitat. Din acest motiv în

prezent se montează cu preponderenţă sonde verticale de căldură pentru sol, care se pot

introduce la adâncime de 50 până la 150m.

O astfel de instalaţie este prezentată în figura 2.7.

Figura 2.7. Pompa de căldură sol-apă cu sonde

Se utilizează diferite modele tehnice şi modalităţi de instalare. Sondele sunt

fabricate de obicei din tuburi de polietilenă.De regulă se montează patru tuburi paralele,

(sondă cu tub dublu cu profil U). Apa sărată curge în jos din distribuitor în două tuburi şi

este recirculată în sus, prin celelalte două tuburi spre colector. Toate golurile dintre

tuburi se vor umple cu un material termoconductor numit betonit. O astfel de sondă

este prezentată în figura 2.8.

Distanţa dintre două sonde pentru sol trebuie să fie de 5...6 m. O altă variantă este

formată din tuburi coaxiale cu un tub interior din material plastic pentru alimentare şi

un tub exterior din material plastic pentru recircularea apei sărate. Sondele de căldură

pentru sol se montează în funcţie de model, cu utilaje de foraj sau cu utilaje de

înfingere. .

Figura 2.8 Sonda

În acele regiuni cu soluri ce pot fi uşor forate sondele din polietilenă sunt puse în

operă cu ajutorul unor instalaţii de foraj cu spălare cu apă. Pentru aceasta se utilizează o

sapă de foraj cu diametrul de cel puţin 90mm. Apa este pompată cu mare presiune prin

această sapă de foraj şi aduce la suprafaţă materialul dislocat.

Materialul dislocat este depozitat într-o groapă în apropierea forajului. Apa în

exces este preluată de la partea superioară a acestei gropi şi reutilizată în procesul de

forare. În momentul atingerii adÎncimii de foraj prevăzute se introduce în gaura de foraj o

sondă deja pregătită verificată la presiune şi plină cu apă.

Apoi sonda de foraj este ridicată şi demontată bucată cu bucată. În final gaura

forată se umple din nou cu pământ. Ca material de umplere se poate folosi betonitul.

Dacă în timpul forajului au fost perforate straturile impermeabile, acestea trebuiesc

refăcute la umplere. Pentru procedeul mai sus amintit costurile estimate pentru condiţii

geologice forabile sunt apreciate la 35-40$ pe fiecare metru de sondă.

Aceste costuri sunt însă puternic dependente de structura subsolului şi de

procedeul de foraj utilizat.Pentru aceste tipuri de instalaţii este necesară o aprobare de la

organele competente. Numeroase instalaţii cu pompe pentru sonde de căldură, pentru

sol funcţionează de mulţi ani fără a prezenta vreo defecţiune şi sunt preferate de

utilizatori.

Conform măsurătorilor efectuate în condiţii hidrogeologice bune, mai ales în

cazul în care există apă freatică curgătoare, este posibilă funcţionarea monovalentă a

pompelor de căldură fără răcirea pe timp îndelungat a solului.

3. AVANTAJELE POMPELOR DE CALDURA

Avantajele pe care le prezinta pompele de caldura sunt :

• Sunt cele mai sigure si curate sisteme de incalzire si preparare apa calda; nu prezinta

risc de explozie sau foc;

• Functioneaza fãrã flacãrã, fara cos de fum, nu ard nici un combustibil si nu produc

reziduri, sunt complet ecologice;

• In exploatare, realizeaza economii de pana la 75% fata de centralele termice obisnuite,

fapt ce permite amortizarea investitiei initiale intr-o perioada scurta de timp;

• Datorita tehnologiei folosite pentru executie, a materialelor utilizate si a modului de

functionare durata de viata este foarte mare, de peste 20 ani;

• Economia pe care o realizeaza un sistem de incalzire cu pompa de caldura, dupa

amortizare, comparativ cu sistemele clasice cu combustibili fosili sau gazosi, este demna

de luat in calcul;

• Sunt reversibile : iarna incalzesc locuinta iar vara o pot climatiza, fara investitii

suplimentare in alte dispozitive, cu consumuri de energie electrica foarte mici, circuland

apa racita prin sistemul de incalzire in pardoseala sau prin ventiloconvectoare. Vara,

caldura preluata din casa este folosita pentru prepararea gratuita a apei menajere sau

pentru incalzirea piscinei;

• Intretinerea instalatiilor este foarte simpla si deloc costisitoare, neexistand materiale

consumabile ce presupun intetinere frecventa;

• Automatizarea pompei de caldura prezinta o serie larga de avantaje si functiuni

printre care :

- coordonarea incalzirii in functie de temperatura de afara si setarile efectuate de

beneficiar pentru temperatura din locuinta, temperatura apei calde;

- monitorizarea functionarii incalzirii si prepararii apei calde, a incalzirii piscinelor;

- controlarea functionarii pompelor de circulatie pentru incalzire, apa calda menajera sau

apa pentru piscine;

- functiuni de diagnoza pentru determinarea temperaturilor de functionare,

- monitorizarea si optimizarea racirii, vara, in functie de temperatura exterioara si setarile

dorite;

- comada si monitorizeaza functionarea unei a doua centrale termice, acolo unde este

cazul, in functie de temperatura de afara si setarile beneficiarului,

- functiunea de protectie la inghet;

- permite montarea unei intefete pentru statie de operare la distanta cu meniu identic;

- permite monarea unui modem si a unui soft pentru operare prin internet de la mare

distanta.

4. PREZENTATREA IMOBILULUI SI DESCRIEREA

AMPLASAMENTULUI

Imobilul pentru care se va proiecta instalaţia de încălzire este o locuinţă

unifamiliară, în care locuiesc 4 persoane, situată în judeţul Cluj. Locuinţa este

compusă din 3 camere, bucătărie, baie, hol o cămară şi omagazie,având

împreună o suprafata de 154 m 2 .

Pereţii exteriori - reprezentaţi cu culoarea gri în schema următoare, sunt realizaţi

din cărămidă cu o grosime de 25 cm având aplicat pe partea exterioară o

termoizolaţie din polistiren extrudat. Pe ambele feţe ale peretelui se aplica un strat de

tencuială de 1 cm.

Pereţii interiori - reprezentaţi cu culoarea roşie, sunt realizaţi din cărămidă. Pereţii

care despart cămara de bucătărie şi de baie şi peretele care desparte magazia de baie

au o grosime de 25 cm, ceilalţi pereţi interiori având o grosime de 20 cm.

Podeaua - reprezentată cu galben, este realizată dintr-un strat de 30 cm de beton

peste care se montează termoizolaţie din polistiren extrudat. Peste izolaţie se aplică un

parchet de lemn de brad cu o grosime de 4 cm.

Tavanul - realizat din beton armat, având o grosime de 20 cm este izolat cu

polistiren extrudat peste care se montează scânduri de brad cu o grosime de 3 cm. Pe

partea interioară se aplica un strat de tencuială cu o grosime de 1 cm.

Geamurile şi uşile care comunică cu exteriorul sunt realizate din termopan .

Schema locuinţei este reprezentată în figura 4.1(figura 4.1.a vedere frontala, figura

4.1.b vedere din spate, figura 4.1.c dimensiunile casei ).

Tabel 4.1. Dimensiunile camerelor

Nr.Crt.

Camera Lungime[m]

Latime[m]

Inaltime[m]

Dim. Geamuri [m]

Dim.Usi [m]

1 Camera I 4,5 3,9 2,52 x 1,2 (S)

1,5 x 1,2 (V)1,2 x 2 (E)

2 Camera II 5,5 5 2,52 x 1,2 (S)

2,5 x 1,2 (E)1 x 2 (V)

3 Camera III 5,5 5 2,5 2,5 x 1,2 (E) 1 x 2 (V)4 Bucatarie 5,5 3,7 2,5 1,5 x 1,2 (V) 1,2 x 2 (E)

5 Hol 101,62,6

2,5 -1,2 x 2 (S)1 x 2 (N)

6 Camara 3 2,4 2,5 1 x1 (V) 0,8 x 2 (S)7 Magazie 5,5 4 2,5 1 x 1 (N) 1 x 2 (E)8 Baie 2,5 2,4 2,5 - 1 x 2 (E)

Figura 4.1.a Vedere frontală

Figura 4.1.b Vedere din spate

Figura 4.1.c Dimensiunile casei

5. DETERMINAREA NECESARULUI DE CALDURA

Pentru determinarea puterii sistemului de incalzire ,se alcatuieste bilantul termic

pentru timpul de iarna:

Qnec=Qpar+Qfer-usi+Qinfiltr+Qper+Qtavan-Qdc ; [W]

,in care:

Qpar - pierderile de caldura prin pardoseala , [W];

Qfer-usi - pierderile de caldura prin ferestre si usi , [W];

Qinfiltr - pierderile de caldura prin infiltrari , [W];

Qper - pierderile de caldura prin pereti , [W];

Qtavan - pierderile de caldura prin tavan , [W];

Qdc – degajarile de caldura de la iluminat ,aparate de uz casnic ,oameni , [W];

5.1 Pierderile de caldura prin pardoseala

Calculul pierderilor de caldura prin pardoseala se realizeaza cu formula:

Qpar = kpar · F · (taint - taext) ,[W] (5.1)

,in care:

kpar – coeficient global de transfer termic ,[W/(m2·k)];

F – suprafata podelei ,[m2];

taint – temperatura interioara a aerului ,[ºC];

taext - temperatura exterioara a aerului ,[ºC]

Se adopta un k = 0,4 W/(m2·k)

Exemplu de calcul pentru o camera:

Camera I : 4,5 x 3,9 x 0,4 x (20-(-10)) = 210 W

Tabel 5.1. Valori ale pierderilor de caldura prin podea pentru fiecare incapere

Nr.crt.

Incapere Suprafata

[m2]

taerint-taerext

[0C]

Qpod

[W]

1 Camera 1 17,55 30 210,6

2 Camera 2 27,5 30 330

3 Camera 3 27,5 30 330

4 Bucatarie 20,35 30 244,2

5 Hol 19,9 30 238,8

6 Camara 7,2 28 80,64

7 Magazie 22 26 228,8

8 Baie 6 25 60

Total 1723,04

5.2. Pierderi de caldura prin ferestre si usi

Pierderile de caldura prin ferestre si usi se calculeaza cu relatia:

Qf.u.= kf.u.· F · (taint - taext), [W], (5.2)unde:

Kf.u. – valoarea coeficientului global de transfer termic prin ferestre si usi;

- pentru ferestre cu sticla dubla: K= 2,91 W/(m2K)

- pentru usi: K=4,652 W/(m2K)

F – suprafata usii sau a ferestrei, (m2);

Exemplu de calcul pentru camera 1:

Camera I: 2,4 x 2,900 x 30 = 209,52 [W]

1,8 x 2,910 x 30 = 157,14 [W]

2.0 x 4,652 x 30 = 279,12 [W]

Total = 645,78 [W]

Tabel 5.2. Valori ale pierderilor de caldura prin ferestre si usi pentru fiecare incapere:

Nr.crt

Incapere

Dim. Fereastra

[m]Supraf.

[m2]

Dim. usa[m]

Supraf.[m2]

Δt

[0C]

Qf.u.

[W]

1 Camera 1

2,0 x 1,21,5 x 1,2

2,41,8

1 x 2 2 30 645,78

2 Camera 2

2,0 x 1,22,5 x 1,2

2,43,0

1 x 2 2 30 750,54

3 Camera 3

2,5 x 1,2 3,0 1 x 2 2 30 541,02

4 Bucatarie 1,5 x 1,2 1,8 1 x 2 2 30 436,26

5 Hol - -1,2 x 21 x 2

2,42 30 614,06

6 Camara 1,0 x 1,0 1,0 0,8 x 2 1,6 28 289,89

7 Magazie 2,0 x 1,2 2,4 1 x 2 2 26 423,48

8 Baie - - 1 x 2 2 25 232,60

Total 7262,59

5.3. Pierderi de caldura prin tavan

Pierderea de caldura prin tavan se calculeaza cu relatia:

Qtavan = ktav· F · (taint - taext), [W], (5.3)

, unde:

Ktav – coeficient global de transfer termic prin tavan, [W/(m2K)];

F - suprafata tavanului, [m2];

Tavanul este format din urmatoarele straturi:

- strat de beton armat – 100mm

- strat de izolatie termica – 100mm

Se adopta: K= 1,686W/(m2K)

Exemplu de calcul pentru o camera:

Camera I: 17,55 x 30 x1,686 = 887,67 W

Tabel 5.3 Valori ale pierderilor de caldura prin tavan pentru fiecare incapere:

Nr.crt.

Incapere Suprafata[m2]

Δt

[0C]Qtav

[W]

1 Camera 1 17,55 30 887,67

2 Camera 2 27,5 30 1390,95

3 Camera 3 27,5 30 1390,95

4 Bucatarie 20,35 30 1029,30

5 Hol 19,9 30 1006,54

6 Camara 7,2 28 339,89

7 Magazie 22 26 964,39

8 Baie 6 25 252,9

Total 7262,59

5.4. Pierderi de caldura prin infiltrari

Pierderile de caldura prin infiltrari se calculeaza cu relatia:

Qinf = Δk · F · (taint - taext), [W], (5.4)

,in care:

Δk – corectia coeficientului global de transfer termic , [W/(m2K)];

F – suprafata ferestrelor si usilor , [m2];

Se considera : - Δk = 2,95 W/(m2K);

- viteza medie a aerului : 5m/s

- taext = -10 0C

Exemplu de calcul pt camera I:

2,4 x 2,95 x 30 = 212,4

1,8 x 2,95 x 30 = 159,3

Total: 371,7 W

Tabel 5.4 Valori ale pierderilor de caldura prin infiltrari pentru fiecare incapere:

Nr.crt.

Incapere Suprafata[m2] Δt

[0C]

Qinf

[W]

1 Camera 1 2,4 ; 1,8 30 371,7

2 Camera 2 2,4;3 30 477,9

3 Camera 3 3 30 265,5

4 Bucatarie 1,8 30 159,3

5 Camara 1 28 82,6

6 Magazie 2,4 26 62,4

Total 1419.4

5.5. Pierderi de caldura prin pereti

Pierderile de caldura prin pereti se calculeaza cu relatia:

11int

1

−− ++Σ+=

extp

p

iz

izk

αλδ

λδα , [W/(m2K)]; (5.5)

,in care:

αint , αext – coeficienti partriali de transfer termic la suprafata interioara si respectiv

exterioara a peretilor, [W/(m2K)];

δp – grosimea peretelui ,[m];

λp – conductivitatea termica a peretelui [W/(m·K)];

δiz – grosimea izolatiei ,[m];

λiz – conductivitatea termica a peretelui [W/(m·K)];

Pentru conditiile climaterice ale orasului Iasi se adopta:

αint = 8,7 W/(m2·K) ;

αext = 23 W/(m2·K);

λcaramida = 0,814 W/(m·K);

λtencuiala = 0,7 W/(m·K);

λpolistiren = 0,045 W/(m·K);

k = 222,20285,0368,0043,0115,0

1

++++ = 7765,2

1 = 0,36 [W/(m2·K)] (5.6)

In functie de orientarea geografica a peretilor se calculeaza urmatoarea relatie:

Qper = kper· F · (taint - taext) · n , [W] (5.6),

,in care n este coefficient ce tine cont de orientarea peretilor;

- pt. perete orientat spre S : n = 1;

- pt. perete orientat spre V si E : n = 1,05;

- pt. perete orientat spre N : n = 1,1

Exemplu de calcul pentru Camera I :

Qper S = 0,36· ((4,5 x 2,5) – 2,4) · 30 · 1 = 95,98 W

Qper V = 0,36· ((3,9 x 2,5) – 1,8) · 30 · 1,05 = 90,153 W

Tabel 5.5 Valori ale pierderilor de caldura prin pereti pentru fiecare incapere:

Nr.crt.

Incapere

Suprafataperete

[m2]

Δt

[0C] Orientaregeografic

a

nQper

,[W]

1 Camera 18,85 30 S 1 95,587,95 30 V 1,05 90,153

2 Camera 211,35 30 S 1 122,589,5 30 E 1,05 107,73

3 Camera 39,5 30 E 1,05 107,73

13,75 30 N 1,1 163,35

4 Hol4,1 30 S 1 44,282 30 N 1,1 23,76

5 Camara 5 28 V 1,05 52,926 Bucatarie 7,45 30 V 1,05 84,48

7 Magazie10 26 V 1,05 98,28

11,35 26 N 1,1 116,868 26 E 1.05 78,624

Total 1186,327

5.6. Calculul degajarilor de caldura

Degajarile de caldura provin de la oameni ,becuri electrice ,aparate de uz casnic.

Degajarile de caldura totale se calculeaza cu formula :

Qdc = Qoameni + Qbecuri + Qap. casnice , [W]; (5.7.)

In cladire sunt urmatoarele eliminari de caldura:

- 1 plita electrica : 300 W

- 2 combine musicale : 2 x 100 = 200 W

- 3 televizoare : 3 x 50 = 150 W

- 2 calculatoare : 2x 200 = 400 W

- 2 frigidere : 2 x 500 = 1000 W

- 1 masina de spalat : 1 x 300 W

Qdc = 2950 W

QTotal nec. = 1723,04+3933,63+7262,59+1419,4+1186,33 - 2950 = 12574,99 [W] =

QTotal necesar = 12,575 [KW] (5.8)

Pentru aceasta putere se pot alege urmatoarele tipuri de pompe de caldura :

De la MasterTherm:

Pompa Aqua – Master tip 37Z (pompa de caldura sol-apa) de 13,5 KW ;

Pompa Box – Air tip 37Z (pompa de caldura aer-apa) de 15,2 KW;

De la Thermia:

Pompa Thermia Robust tip 38U/M (apa-apa , aer-apa sau sol-apa) de 14KW

(vezi fisele tehnice)

6. ANALIZA TEHNICO-ECONOMICA

6.1 Analiză comparativă a consumurilor şi costurilor

Rentabilitatea unei pompe de căldură depinde de diverşi parametri cum ar fi :

- coeficientul de performanţa al pompe de căldură

- numărul de ore de funcţionare din timpul unui an

- cheltuieli de investiţie

- costul combustibilului

- alte cheltuieli suplimentare

Influenţa diverşilor parametri asupra rentabilităţii unei pompe de căldură acţionată

cu electromotor în comparaţie cu încălzirea electrică pe de o parte şi încălzirea cu cazan

cu combustibili fosili pe de altă parte este prezentată în figura 6.1. La baza realizării

acestei diagrame stau anumite ipoteze referitoare la cheltuielile de investiţie şi la preţurile

pentru combustibili fosili.

Figura 6.1 Domeniul de rentabilitate pentru diverse sisteme de încălzire

Diagrama prezintă domeniul de rentabilitate pentru diverse sisteme de

încălzire: mărimea din abscisă este durata relativă anuală de utilizare, iar mărimea din

ordonată este raportul dintre preţul energiei electrice şi cel al energiei provenite din

combustibilii fosili. Din figură se observă că, în condiţiile unor anumite preţuri pentru

energia electrică şi pentru combustibilul gazos sau lichid, rentabilitatea unei pompe de

căldură creşte pe măsură ce durata anuală de funcţionare este mai mare.

Rentabilitatea poate să crească simţitor atunci când coeficientul de

performanţă al pompei de căldură creşte, ca de exemplu de la 3 la 4 după cum se poate

vedea din figura 6.2. Diversele zone din câmpul diagramei se schimbă şi la

modificarea cheltuielilor de investiţii sau ale costurilor energiei.

Figura 6.2 Influenţa coeficientului de performanţă al pompei de căldură asupra rentabilităţii

Din păcate nu sunt posibile prognoze cu caracter general. Din această cauză,

fiecare caz în care se doreşte utilizarea unei pompe de căldură trebuie analizat separat,

prin compararea cheltuielilor pe care le implică diversele sisteme de încălzire. Aceste

cheltuieli pot fi grupate în patru mari categorii, şi anume:

1.Cheltuieli legate de utilizare – în această categorie intră în primul rând

cheltuielile pentru combustibili şi energie. Tot aici trebuie însă incluse şi cheltuielile pentru

energia suplimentară, şi pentru materialele necesare în funcţionare, cheltuielile pentru

transport şi depozitarea combustibililor, împreună cu plate dobânzilor aferente.

2.Cheltuieli legate de investiţii – în această categorie intră cheltuielile propriu-zise

de investiţie, precum şi cele de reparaţii.

3.Cheltuielile legate de întreţinere – în această categorie intră în principal

cheltuielile pentru întreţinere, supraveghere şi curăţire.

4.Alte cheltuieli – în această categorie intră toate cheltuielile suplimentare,

ca de exemplu cele pentru asigurări, piverse plăţi etc.

Pentru calculul cheltuielilor în scopul încălzirii se prezintă în continuare un

procedeu simplificat.

Punctul de plecare în stabilirea necesarului de energie îl constituie calculul

necesarului de căldură pentru încălzire al clădirii, care depinde în primul rând de

izolarea termică a acesteia şi de condiţiile climatice. Necesarul de căldură se stabileşte

în conformitate cu normativele în vigoare şi reprezintă puterea termică nominală pe care

trebuie să o asigure instalaţia de încălzire.

Se consideră că instalaţia funcţionează în permanenţă numai în condiţiile

nominale, deci la puterea maximă- astfel că timpul (fictiv) de funcţionare se poate aprecia

prin numărul total de ore de funcţionare la capacitate nominală.

Consumul anual de energie reprezintă cantitatea de energie ce trebuie furnizată

unei instalaţii de încălzire, în decursul unui an cu scopul acoperirii necesarului anual de

căldură şi se calculează cu relaţia (6.1):

Qanual = Qnecesar ⋅ n functionare = 13 ⋅ 2160= 28080 [KWh/an]

(6.1)

- Qnecesar = 12,575 KW reprezintă necesarul de căldură pentru incalzire

- n functionare =2160 reprezintă numărul orelor de funcţionare pe an

Consumul anual de energie nu este egal pentru toate sistemele de încălzire.

Eficienţa cu care este produsă căldura este exprimată prin intermediul randamentului

anual pentru cazanele clasice sau prin eficienţa termică pentru pompele de căldură.

Consumul anual de energie se calculează cu relaţiile (6.2) în cazul cazanelor pe

combustibili fosili şi cu (6.3) în cazul pompelor de căldură:

Banual = Qanual / μanual ( 6.2)

Banual = Qanual / μanual ( 6.3)

,unde:

Banual este eficienţa cu care este produsă căldura;

Qanual = 28080 [KWh/an] (din 6.1) este consumul annual de energie;

µanual este eficienţa termică a pompei de căldură;

ηanual este randamentul anual mediu al cazanelor

Pentru cazane cu combustibil lichid ηanual este de 0,81...0,83

Pentru cazane pe combustibil gazos ηanual este de 0,81...0,85

Cheltuielile anuale pentru energie se obţin prin multiplicarea consumului

anual de energie cu preţurile corespunzătoare pentru energia electrică respectiv

combustibil gazos.

C= Banual P [RON] (6.4)

,unde:C-reprezintă cheltuielile anuale pentru energie in lei noi

Banual -reprezintă eficienţa cu care este produsă căldura în KWh/an

P-reprezintă preţul unui KW de energie în RON

Un litru de combustibil lichid GPL este echivalentul a 15 KW, preţul unui litru de

GPL este de 3,0 RON, deci preţul P al unui KW produs din combustibil lichid este de 0,2

RON.

Un metru cub de gaz metan are preţul de 1,26 RON şi este echivalentul a

10.999 KWh, prin urmare preţul P al unui KW produs din gaz metan este de 0,115 RON.

Preţul P al unui KW electric este de 0,37 RON

Pentru cazane cu combustibil lichid :

-consumul anual de energie se calculeaza cu relatia:

Banual = Qanual / μanual = 28080 / 0,82 = 34244 [KWh/ an] (6.5)

-cheltuelile anuale pentru energie se calculeaza cu relatia:

C = Banual P = 34244 · 0,2 = 6849 [KWh/ an] (6.6)

Pentru cazane cu combustibil gazos:

-consumul anual de energie se calculeaza cu relatia:



C = Banual P = 33831 · 0,115 = 3891 [KWh/ an] (6.8)

Pentru pompa de caldura aer-apa :

-consumul anual de energie este:



C = Banual P = 10800 · 0,37 = 3996 [KWh/ an] (6.10)

Pentru pompa de caldura apa-apa:



-cheltuelile anuale pentru energie sunt :

C = Banual P = 6766 · 0,37 = 2503 [KWh/ an] (6.12)

Pentru pompa de caldura sol-apa cu colectori :




C = Banual P = 7332 · 0,37 = 2713 [KWh/ an] (6.14)

Pentru pompa de caldura sol-apa cu sonde :


Banual = Qanual / μanual = 28080 / 4.03 = 6968 [KWh/ an] (6.15)


C = Banual P = 6968 · 0,37 = 2578 [KWh/ an] (6.16)

Pentru incalzire electrica cu radiatoare si aeroterme :


Banual = Qanual = 28080 [KWh/ an] (6.17)


C = Banual P = 28080 · 0,37 = 10389 [KWh/ an] (6.18)

În figura 6.3 este reprezentată variaţia consumului anual de energie în funcţie de

instalaţia utilizata.

Figura 6.3 Variaţia consumului anual de energie în funcţie de tipul instalaţiei

Din diagramă se observă că, cazanul pe combustibil lichid şi cel pe combustibil

gazos au cel mai mare consum anual de energie. Acest lucru se datorează

randamentelor scăzute ale cazanelor, randamente care sunt subunitare. O uşoară

scădere a consumului se sesizează în cazul încălzirii electrice.

Concluzii:

Cea mai bună soluţie din punct de vedere al consumului anual de energie o

reprezintă utilizarea pompelor de căldură, caz în care consumul de energie se poate

reduce de până la cinci ori.

Se observă o creştere mai pronunţată în cazul pompei aer-apă a consumului de

energie faţa de celelalte variante de pompe de căldură.

Pompa cu consumul de energie cel mai scăzut este pompa de căldură apă-apă,

urmată îndeaproape de pompa de căldură sol-apă cu sonde. Se observă deasemenea o

scădere a consumului anual de energie în cazul utilizării unei subrăciri avansate decât în

cazul unei subrăciri normale.

În figura 5.4 sunt prezentate cheltuielile anuale pentru energie în funcţie de

tipul variantei de încălzire.

Figura 6.4 Cheltuieli anuale pentru energie în funcţie de tipul instalaţiei

Din diagrama de mai sus se observă că cele mai mari cheltuieli pentru încălzire

sunt în cazul încălzirii electrice cu aeroterme sau radiatoare electrice. Aceste cheltuieli

mari (de patru ori mai mari decât în cazul pompelor de căldură apă-apă şi sol-apă) se

datorează preţului mai ridicat a unui KW electric (0,37 RON) faţă de cel produs din

combustibili fosili ( 0,115 RON în cazul gazului metan şi 0,2 RON în cazul utilizării GPL-

ului ).

Dintre variantele care utilizează combustibili fosili cea mai rentabilă soluţie este

utilizarea cazanului pe combustibil gazos, caz în care se reduc cheltuielile la jumătate

decât în cazul cazanului pe combustibil lichid. Cheltuieli însemnate se înregistrează şi în

cazul utilizării pompei de căldură aer-apă datorită eficienţei termice scăzute a acesteia.

Cheltuielile cele mai reduse se înregistrează în cazul pompelor de căldură apă-

apă şi a celor sol-apă cu sonde, urmate de cazanul pe combustibil gazos şi de pompele

de căldură sol- apă cu colectori.

BIBLIOGRAFIE

.

14. *** Residential earth energy systems-internet

15. *** STAS 1907/1,2 Calculul Necesarului de căldură

16. *** STAS 6648/1,2 Parametri climatici exteriori, calculul aporturilor de căldură din exterior17. *** www.pompedecaldurageotermale.ro

18. *** www.metacor-europe.com

19. *** www.ecomagazin.ro

20. *** www.danfoss.com

21. *** www.sondex.com

22. *** www.viessmann.de

1. Bălan M. Instalaţii frigorifice Edit Todesco Cluj-Napoca, 2000

2.Tofan I. Tehnologia frigului si climatizari in industria alimentara

3.Bălan M Utilizarea frigului artificial

4. Bălan M, Pleşa A. Instalaţii frigorifice Construcţie, funcţionare şi calcul. Cluj Napoca 2002

5.Cane D. Geoexchange heating/cooling sistems 2002- internet

6. Gavriliuc R. Pompe de căldură de la teorie la practică Edit Matrix Buc. 1999

7. Macovescu S Camere şi instalaţii frigorifice Casa cărţii de ştiinţă Cluj 2004

8. Popa B. Termotehnică,maşini şi instalaţii termice Edit Didactică şi pedagogică Bucureşti 1971

9. Radcenco V. Instalaţii de pompe de căldură Edit Tehnică Bucureşti 1985

10. *** Comercial earth energy systems -internet

11. *** Earth Energy Canada 2002 –internet

12. *** Ground Source Heat Pomp Project Model – internet

13. *** Mole Hill Community Housing Society Project –internet

Date post:	27-Dec-2015
Category:	Documents
Upload:	grigoras-ioan
View:	135 times
Download:	18 times

Proiect Disertatie Pompe de Caldura

Documents